Банки памяти

Банки памяти используются, когда адресное пространство процессора мало, а приложение требует. При этом стоимостные и электротехнические ограничения позволяют нам установить в систему гораздо больше памяти, чем процессор может адресовать. Например, у многих" микроконтроллеров адрес имеет длину всего 8 бит, однако 256 байт данных, и тем более 256 команд кода для большинства приложений недостаточно. Многие из ранних персональных компьютеров, основанных на 8-разрядных микропроцессорах i8085 и Z80 с 16-разрядным адресом, имели гораздо больше 64 Кбайт памяти. Например, популярные в годы детства авторов компьютеры Yamaha имели до 2 Мбайт оперативной памяти.
Адресация дополнительной памяти в этой ситуации обеспечивается дополнительным адресным регистром, который может быть как конструктивным элементом процессора, так и внешним устройством. Этот регистр дает нам дополнительные биты адреса, которые и обеспечивают адресацию дополнительной памяти. Регистр этот называется расширителем адреса или селектором банка, а область памяти, которую можно адресовать, не изменяя селектор банка, - банком памяти. Значение регистра-селектора называют номером банка.

Банковая адресация в 16-разрядных микропроцессорах
Внимательный читатель, знакомый с системой команд Intel 8086, не может не отметить, что "сегментные" регистры этого процессора имеют мало общего с собственно сегментацией, описываемой в главе 5. Эти регистры более похожи на причудливый гибрид селектора банков и базового регистра. Как и описываемый далее PIC, I8086 имеет команды "ближних" (внутрибанковых) и "дальних" (межбанковых) переходов, вызовов и возвратов.
Относящийся к тому же поколению процессоров Zylog 800 имеет полноценные селекторы банков. Из всех изготовителей 16-разрядных микропроцессоров только инженеры фирмы Motorola осмелились расширить адрес до 24 бит (это потребовало увеличения разрядности регистров и предоставления команд 32-разрядного сложения), все остальные так или иначе экспериментировали с селекторами банков и вариациями на эту тему.

Работа с банками памяти данных обычно не представляет больших проблем, за исключением ситуаций, когда нам нужно скопировать из одного банка в другой структуру данных, которую невозможно разместить в регистрах процессора. Существенно более сложную задачу представляет собой передача управления между банками программной памяти.
В том случае, когда селектор банка программной памяти интегрирован в процессор, предоставляются специальные команды, позволяющие перезагрузить одновременно "младшую" (собственно регистр PC) и "старшую" (селектор банка) части счетчика команд.

Банки команд в Р/С
У микроконтроллеров PIC арифметические операции производятся только над младшими 8 битами счетчика команд, поэтому относительные и вычислимые переходы допустимы только в пределах 256-командного банка. Однако полное — с учетом селектора банка — адресное пространство для команд достигает 64 Кбайт, а у старших моделей и 16 Мбайт за счет использования двух регистров-расширителей. Переключение банка осуществляется специальными командами "длинного" — межбанкового — перехода.

Если банковая адресация реализована как внешнее устройство, проблема межбанковой передачи управления встает перед нами в полный рост. Поскольку мы не имеем команд межбанкового перехода, любой такой переход состоит минимум из двух команд: переключения банка и собственно перехода. Каждая из них нарушает порядок исполнения команд.
Рассмотрим ситуацию детальнее (рис. 2.15): из кода, находящегося в банке 1 по адресу OxlOaf, мы хотим вызвать процедуру, находящуюся в банке 2 по адресу 0x2000. Если мы сначала выполним переключение банка, мы окажемся в банке 2 по адресу ОхЮЬО, не имея никакого представления о том, какой же код или данные размещены по этому адресу. С той же проблемой мы столкнемся, если сначала попытаемся сделать переход по адресу Oxlfff.
В качестве решения можно предложить размещение по адресу Oxlfff в банке 1 команды переключения на банк 2. Возможно, для этого придется переместить какой-то код или данные, но мы попадем по желаемому адресу. Впро-Чем, если мы постоянно осуществляем межбанковые переходы, этот подход Потребует вставки команд переключения банка для каждой возможной точки входа во всех остальных банках. Ручное (да и автоматизированное)размещение этих команд — операция чрезвычайно трудоемкая, и возникает естественная идея: сконцентрировать все эти вставленные команды и соответствующие им точки входа в каком-то одном месте. Впрочем, даже эта идея не дает нам ответа на вопрос, как же при такой архитектуре возвращать управление из процедур? Вставлять команду переключения еще и для каждой команды вызова?

Рис. 2.15. Межбанковый переход

Развитие этой идеи приводит нас к чему-то, похожему на менеджер оверлеев (см. разд. Оверлеи (перекрытия). программный модуль, который присутствует во всех банках по одному и тому же адресу (рис. 2.16). Если нам нужно вызвать известную процедуру в определенном банке, мы передаем ее адрес и номер банка этому модулю, и он осуществляет сохранение текущего банка, переключение и переход. Если процедура делает возврат, она возвращает управление тому же модулю, который, в свою очередь, восстанавливает исходный банк и возвращает управление в точку вызова.
Дальнейшее развитие этой идеи приводит к мысли, что самый простой способ разместить этот код во всех банках — это усложнить схему работы селектора банков, например, всегда отображать первый килобайт адресного пространства на одни и те же физические адреса. Аппаратно это несложно: мы анализируем старшие шесть битов адресной шины процессора. Если они не равны нулю, мы подаем на старшие биты адресной шины памяти содержимое селектора банка, если же равны — нулевые биты. Примерно этим способом и расширяют память большинство микрокомпьютеров на основе 8-разрядных процессоров.
Поскольку мы вступили на путь анализа логического адреса, можно пойти и дальше: разбить адресное пространство процессора на несколько банков, каждый со своим селектором.

Рис. 2.16. Переключатель банков

Адресное пространство PDP-11
Машины серии PDP-11 имеют 16-разрядный адрес, который позволял адресовать 64 Кбайт. У старших моделей серии это пространство разбито на 8 сегментов по 8 Кбайт каждый. Каждому из этих сегментов соответствует свой селектор банка (в данном случае следует уже говорить о дескрипторе сегмента) (рис. 2.17). Физическое адресное пространство, которое может быть охвачено дескрипторами сегментов, составляет 2 Мбайт, что намного больше адресов, доступных отдельному процессу. На первый взгляд, эта конструкция представляет собой усложненную реализацию банковой адресации, цель которой — только расширить физическое адресное пространство за пределы логического, но тот факт, что, кроме физического адреса, каждый сегмент имеет и другие атрибуты, в том числе права доступа, заставляет нас признать, что это уже совсем другая история, заслуживающая отдельной главы (см. главу 5).

Рис. 2.17. Виртуальная память PDP-11/20